Weitwinkel-Objektiv für Endoskope - European Patent Office

Europäisches Patentamt
© Veröffentlichungsnummer:
European Patent Office
EUROPAISCHE
0
Int. Cl.4: G02B
G02B
0
Anmelder: Richard Wolf GmbH
Pforzheimer Strasse 32
D-7134 Knittlingen(DE)
©
Erfinder: Zobel, JUrgen, Dipl.-Mathematiker
Am Sollinger 5
D-7518 Bretten-Sprantal(DE)
0
Vertreter: Wilcken, Thomas, Dipl.-lng. et al
Musterbahn 1
D-2400 Liibeck(DE)
^
©
Anmeldetag: 24.12.87
@ Prioritat: 11.04.87 DE 3712453
© Veroffentlichungstag der Anmeldung:
19.10.88 Patentblatt 88/42
0
7 3 3
PATENTANMELDUNG
© Anmeldenummer: 87119201.9
©
286
A2
Office europeen des brevets
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0
Benannte Vertragsstaaten:
BE CH DE FR GB LI NL
23/24
9/06
Weitwinkel-Objektiv für Endoskope.
0 Es ist ein Weitwinkel-Objektiv für Endoskope,
insbesondere für Video-Endoskope mit Fiberbildleiter oder CCD-Bildwandler beschrieben. Dabei ist von
bekannten Instrumenten ausgegangen, bei denen
das distal angeordnete Objektiv einen mit seiner
Hohlfläche dem Objekt zugewandten Meniskus (2)
sowie ein weiteres, bildseitig befindliches optisches
Bauelement aufweist. Zwecks Erzielung eines einfachen Aufbaues.einer ausreichenden Bildqualität, eines großen Objektfeldwinkels und einer geringen Baulänge ist das bildseitige optische Bauelement ebenfalls als Meniskus (5,7) ausgebildet.
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Fig.1
, G02B
13/06
,
t
) 286 733
Veitwinkel-Objektiv für EndosKope
Die Erfindung betrifft ein Weitwinkel-Objektiv
ür Endoskope, insbesondere für Video-Endoskope
nit einem Halbleiter-Bildwandler und für Endoskope mit einem Fiberbildleiter, im wesentlichen bestehend aus einem distal und objektseitig angeordleten, mit seiner Hohlfläche dem Objekt zugewandten Meniskus, einem weiteren optischen und
Dildseitig angeordneten Bauelement sowie einer
lern optischen System gegebenenfalls zugeordne:en Blende.
An Objektive dieser Art wird die Forderung
gestellt, daß sie bei kleinem Durchmesser eine
geringe Bauiänge haben. Dies läßt sich jedoch mit
den bisher bekannten Optiken nicht ohne weiteres
Dder nur durch entsprechend hohen Aufwand erreichen, wenn außerdem ein großer Bild-bzw. Objekt:eldwinkei und eine gute Korrektur des optischen
Systems erzielt werden sollen.
Der Baugröße sind aber gewisse Grenzen gesetzt, da für die Mittendicken, die Randdicken und
auch für die Scheitelabstände der Linsen Mindestwerte gelten, so daß insbesondere die Baulänge
der Objektive nicht beliebig reduziert werden kann.
Wenn das Objektiv beispielsweise aus zwei
Achromaten besteht, läßt sich auch keine einwandfreie Korrektur der Bildfeldwölbung erreichen, da
die hierzu erforderlichen negativen Brechkräfte im
optischen Gesamtsystem fehlen.
Die Folge ist ein starker Abfall der Schärfe am
Randbereich. Deshalb sind solche optischen Systeme nur einsetzbar, wenn der geforderte Objektfeldwinkel maximal 60° beträgt, falls nicht ein entsprechend hoher Aufwand für eine Begrenzung der
Bildfehler durch eine Randvignettierung getrieben
wird.
Da bei flexiblen Endoskopen mit einem Fiberbildleiter und auch flexiblen Video-Endoskopen mit
einem als Chip ausgebildeten Bildwandler der distale starre Endteil der Endoskope möglichst kurz
sein soll, einerseits aber bei Video-Endoskopen
durch den Bildwandler, die Elektronik und dergleichen der "starre Endteil über die Baulänge des
Objektives distaiwärts hinausgeht und andererseits
bei Endoskopen mit Fiberbildleiter zur Objektbaulänge das in einer Metallhülse starr eingekittete
Ende des Fiberbündes hinzukommt, ist es verständlich, daß gerade bei solchen Endoskopen die
Kürze des Objektives von entscheidender Bedeutung ist.
Dementsprechend besteht die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung eines Weitwinkel-Objektives für Endoskope, das bei einfachem Aufbau,
ausreichender Korrektur und großem Objektfeldwinkel eine geringe Baulänge zuläßt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird das eingangs
erwähnte Weitwinkel-Ubjektiv errinaungsgema/i so
ausgebildet, daß das bildseitige Bauelement ebenfalls als Meniskus ausgebildet ist und daß für beide
Menisken die folgenden Beziehungen
85°
1,7
~7
70
40
Vd
J r 3 | < | r
75
2F
f2
^
4:
4/
fl
<
F
F. f l
fl-F
20
25
30
3S
40
45
so
2
mit folgenden Bedeutungen gelten:
a = Objektfeldwinkel
nd = Berechnungsindex für die Wellenlänge d
Vd = Abbe-Zahl für die Wellenlänge d d = 580
nm
r1 = objektseitiger Radius des distalen Meniskus
r2 = biidseitiger Radius des distalen Meniskus
r3 = objektseitiger Radius des proximalen Meniskus
r4 = biidseitiger Radius des proximalen Meniskus
F = Gesamtweite des Objektivs
f1 = Brennweite des distalen Meniskus
f2 = Brennweite des proximalen Meniskus.
Besonders günstige Abmessungen ergeben
sich für ein solches Objektiv, wenn dem Objektivaufbau für die Baulänge L des Objektivs und den
diagonal durch die Sensorfläche des Bildwandlers
bzw. den durch die Eintrittsfläche des Fiberbildleiters gelegten Durchmesser D die Beziehung L <
2D zu Grunde gelegt wird.
Die Vorteile eines mit dem erfindungsgemäßen
Objektiv distalseitig ausgestatteten Endoskops bestehen insbesondere in dessen universeller E r setzbarkeit aufgrund der geringen Abmessungen
dieses Objektivs.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigt jeweils in
symbolischer Darstellung
Figur 1 ein erfindungsgemäß ausgeführtes
Objektiv mit zwei Menisken, die das Bild auf einen
elektronischen Bildwandler projizieren,
Figur 2 eine Anordnung entsprechend Figur
1 mit einer proximal angeordneten Sonderlinse in
Plan-Konvex-Ausführung,
3
0 286 733
Figur 3 ein erfindungsgemäß ausgeführtes
Objektiv mit zwei Menisken, die das Bild auf einen
Fiberbildleiter projizieren, und
Figur 4 eine Anordnung entsprechend Figur
3 mit einer proximal angeordneten Sonderlinse in
Plan-Konvex-Ausführung.
In einer lediglich teilweise dargestellten Rohrhülse 1 am distalseitigen Ende des nicht gezeigten
flexiblen Tubus eines Video-Endoskops üblicher
Bauart ist entsprechend Figur 1 das ein Objektiv
bildende optische System untergebracht. Dieses
besteht aus einem ersten, mit seiner konkaven
Fläche dem Objekt zugewandten distalen Meniskus
2, dem eine Blende 3 derart vorgeschaltet ist, daß
ein Objekt-bzw. Gesichtsfeldwinkel 4 vona-100°
offengehalten wird. Der objektseitige Krümmungsradius r1 dieses ersten Meniskus 2 ist in dem
Ausführungsbeispiel nach Figur 1 mit 2,5 cm und
der bildseitige 30 r2 mit 1,7 cm ausgeführt.
Dem ersten Meniskus 2 ist ein zweiter Meniskus 5 nachgeordnet, derart, daß dessen konvexe
Fläche dem ersten Meniskus 2 zugewandt ist und
demzufolge die konkave Fläche die Bildseite bildet.
Die Objektivseite dieses zweiten Meniskus 5 weist
einen Krümmungsradius von r3 = 2,3 cm und die
Bildseite einer solchen von r4 = 6,5 cm auf. Das
von diesem Linsensystem erzeugte Bild wird auf
ein als Bildwandler fungierendes CCD-Element 6
projiziert, welches das Bild des Objektes in bekannter Weise in elektronische Signale umsetzt, die
über ein in dem flexiblen Tubus des Endoskops
befindliches elektrisches Kabel an das Empfangssystem weitergegeben werden.
Figur 2 zeigt eine gleichermaßen die beanspruchten Parameter aufweisende Alternativausführung des Objektes, bei dem der erste Meniskus 2
objektseitig den Krümmungsradius r1 = 2,5 cm
besitzt und bildseitig mit r2 = 1,4 cm ausgeführt
ist, während der zweite Meniskus 7 eine Sonderheit
aufweist insofern, als sein objektseitiger Krümmungsradius r3 = 2,75 cm mißt und der bildseitige
r4 = oo ist, das heißt, diese Fläche plan ist.
Figur 3 stellt das Objektiv eines mit einem
Fiberbildleiter ausgestatteten Endoskops dar, bei
dem die entsprechend Figur 1 angeordneten
Menisken 2 und 5 hinsichtlich ihrer Krümmungsradien in Anpassung an den runden Querschnitt des
Fiberbildleiterbündels 8 verändert sind. So ist der
objektseitige Krümmungsradius des ersten Meniskus 2 mit r1 = 2,25 cm, der bildseitige desselben
und der objektseitige des zweiten Meniskus 5 mit
r2 = 1,7 cm entsprechend der Ausführung nach
Figur 1 belassen und der bildseitige Krümmungsradius des zweiten Meniskus mit r4 = 5,75 cm
ausgebildet.
In Figur 4 schließlich ist in Analogie zu der
Darstellung nach Figur 2 das Objekt eines
Fiberbildleiter-Endoskops gezeigibei dem der er-
5
/o
75
20
25
30
4
ste Meniskus 2 objektseitig mit einem Krümmungsradius von r1 = 2,25 cm und bildseitig mit einem
solchen von r2 = 1,83 cm ausgeführt ist, während
der zweite Meniskus 7 wiederum eine plane bildseitige Fläche, das heißt, eine solche mit dem
Krümmungsradius r4 = « besitzt und objektseitig
mit r3 = 2,72 cm ausgebildet ist.
Unter Berücksichtigung der vorher erwähnten
Daten und Beziehungen ergeben sich rechnerisch
für die vier dargestellten Objektive folgende Werte,
falls von a = 100° ausgegangen wird.
Wenn man bei den Objekten nach den Figuren
1 und 2 z.B. für die beiden Menisken Vd = 46,5
und "d = 1,8 ansetzt, ergeben sich für das Objektiv nach Figur 1 die Beziehungen 3,6 = 2 F < fl <
3,81 < 3 F = 5,4 und f2 = 3,99 > F.fl/fl-F = 3,41
sowie für das Objektiv nach Figur 2 die Beziehungen 3,6 = 2 F < fl = 4,35 < 3 F = 5,4 und f2 =
3,41 > F. fl/fl-F = 3,07.
Bei den Objektiven entsprechend den Figuren
3 und 4 gelten beispielsweise für den jeweils distalen Meniskus die Werte Vd = 41 und nd = 1,88
und für den jeweils proximalen Meniskus die Werte
Vd = 50 und nd = 1,79. Hieraus folgen dann für
das Objektiv nach Figur 3 die Beziehungen 3,6 =
2 F < fl = 3,72 < 3 F = 5,4 und f2 = 4,29 >
F.fl/fl-F = 3,41 und für das Objektiv nach Figur 4
die Beziehungen 3,6 = 2 F < fl = 4,51 < 3F = 5,4
und f2 = 3,43 > F.fl/fl-F = 2,99.
Ansprüche
35
40
45
50
55
3
1. Weitwinkel-Objektiv für Endoskope, insbesondere für Video-Endoskope mit einem HalbleiterBildwandler und für Endoskope mit einem Fiberbildleiter, im wesentlichen bestehend aus einem
distal und objektseitig angeordneten, mit seiner
Hohlfläche dem Objekt zugewandten Meniskus,
einem weiteren optischen und bildseitig angeordneten Bauelement sowie einer dem optischen System
gegebenenfalls zugeordneten Blende, dadurch gekennzeichnet, daß das bildseitige Bauelement
ebenfalls als Meniskus (5,7) ausgebildet ist und
daß für beide Menisken (2;5,7) die folgenden Beziehungen
0 286 733
OC
TP*
85°
nd
ZP*
1,7
Vd
oO
^{rl|
/ r 3 / < J r 4 i
2F
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IP'
40
~^
|r2/
<
° °
5
70
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fl
>-
F.fl
fl-F
<
4?F
mit folgenden Bedeutungen gelten:
a = Objektfeldwinkel
nd = Berechnungsindex für die Wellenlänge d
Vd = Abbe-Zahl für die Wellenlänge d
d = 580 nm
r1 = objektseitiger Radius des distalen Meniskus
r2 = biidseitiger Radius des distalen Meniskus
r3 = objektseitiger Radius des proximalen Meniskus
r4 = biidseitiger Radius des proximalen Meniskus
F = Gesammtbrennweite des Objektivs
f1 = Brennweite des distalen Meniskus
f2 = Brennweite des proximalen Meniskus.
2. Weitwinkel-Objektiv nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß für die Baulänge L
des Objektives und den diagonal durch die Sensorfläche des Bildwandlers (6) bzw. den durch die
Eintrittsfläche des Fiberbildleiters (8) gelegten
Durchmesser D die Beziehung L < 2D gilt.
75
20
2g
3Q
3g
40
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50
55
4
0 286 733
F i g . 2
F i g . 1
3
3
2
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r2
r3
F i g . 3
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2